1、第十章第十章 基因表达调控基因表达调控 （Regulation of Gene Expression）本章主要内容本章主要内容v 基本概念与原理基本概念与原理v 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控v 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控第一节第一节 基因表达调控基本概念与原理基因表达调控基本概念与原理 一、一、基因表达的概念基因表达的概念 二、二、基因表达的特异性基因表达的特异性 三、三、基因表达的方式基因表达的方式 四、四、基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义 五、五、基因转录激活调节的基本要素基因转录激活调节的基本要素 一、基因表达的概念一、基因表达的概念 基因表达基
2、因表达 是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信是指生物体基因组种结构基因所携带的遗传信息经过息经过转录及翻译转录及翻译等一系列过程，合成特定的蛋白等一系列过程，合成特定的蛋白质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。质，进而发挥其特定生物学功能的全过程。基因表达产物基因表达产物 各种各种RNA(tRNARNA(tRNA、mRNAmRNA和和rRNA)rRNA)以及蛋白质、多肽。以及蛋白质、多肽。二、基因表达的特异性二、基因表达的特异性（一）时间特异性（一）时间特异性 往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适往往与细胞或个体的特定分化、发育阶段相适应，又称应，又称阶段特异性阶段特异性。（二）空间特
3、异性（二）空间特异性 由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故由细胞在各组织器官的分布差异所决定的，故又称为又称为细胞特异性细胞特异性或或组织特异性组织特异性。三、基因表达的方式三、基因表达的方式（一）组成性表达（一）组成性表达 管家基因管家基因 在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体在生命全过程都是必需的、且在一个生物个体的几乎所有细胞中持续表达的基因。的几乎所有细胞中持续表达的基因。组成性基因表达组成性基因表达 管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育管家基因较少受环境因素的影响，在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。的任一阶段都能在大多数细胞中持续表达。（二）诱导和阻遏表达（
4、二）诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达 在特定环境信号刺激下，基因表现为在特定环境信号刺激下，基因表现为开放开放或或增强增强，表达表达产物增加产物增加。阻遏表达阻遏表达 在特定环境信号刺激下，基因被在特定环境信号刺激下，基因被抑制抑制，从，从而使表达而使表达产物减少产物减少。（三）协调表达（三）协调表达 协调表达协调表达 在一定机制控制下，功能相关的一组基在一定机制控制下，功能相关的一组基因，协调一致，共同表达。因，协调一致，共同表达。四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境变化、维持细胞增殖、分化（一）适应环境变化、维持细胞增殖、分化（二）维持个体生长、发育（二）维
5、持个体生长、发育 五、基因转录激活调节基本要素五、基因转录激活调节基本要素 （一）（一）特异特异DNADNA序列序列 （二）（二）调节蛋白调节蛋白 （三）（三）RNARNA聚合酶聚合酶1.1.原核生物的特异原核生物的特异DNADNA序列序列 原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。实现的。操纵子操纵子 是由功能上相关联的多个编码序列（是由功能上相关联的多个编码序列（2 2个以上）个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调节序列）等成簇串联在一起，构
6、成的一个转录协调单位。调单位。（一）特异（一）特异DNADNA序列序列 操纵子操纵子调节序列调节序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 编码序列编码序列 表达表达 转录转录ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位结合部位RNARNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位 编码序列编码序列 规定蛋白质结构，又称结构基因；规定蛋白质结构，又称结构基因；多顺反子多顺反子mRNAmRNA 由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个录生成一个mRNA,mRNA,翻译生成多个蛋白质翻译生成多个蛋白质,称此为多顺反子称此为多顺反子mRNA.mRN
7、A.多顺反子多顺反子mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白 原核生物的共有序列原核生物的共有序列 原核生物的启动序列，在距离转录起始点原核生物的启动序列，在距离转录起始点10区和区和35区往区往往含有一些重要的往含有一些重要的保守序列（共有序列）保守序列（共有序列）。10区区：含：含TATAAT序列，又称序列，又称Pribnow盒盒。35区区：含：含TTGACA序列。序列。RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位 决定转录起始点决定转录起始点2.2.真核生物的特异真核生物的特异DNADNA序列序列 真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异活性的特异D
8、NADNA序列，称为序列，称为顺式作用元件顺式作用元件。顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。结合，从而影响基因表达活性。启动子启动子 顺式作用元件顺式作用元件又分又分 增强子增强子 沉默子沉默子（1）启动子启动子 是是RNARNA聚合酶结合位点及其周围的一组转录调聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件（控组件（包括转录起始点以及典型的包括转录起始点以及典型的TATATATA盒盒）。）。（2 2）增强子）增强子 是增强启动子转录活性的是增强启动子转录活性的DNADNA序列，并决定组序列，并决定组织特异性表达。织特异性表达。
9、（3 3）沉默子）沉默子 能够对基因转录起阻遏作用的能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于片段，属于负性调控元件。负性调控元件。（二）调节蛋白（二）调节蛋白1.原核生物的调节蛋白原核生物的调节蛋白（3类）类）特异因子特异因子 决定决定RNARNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；(RNARNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（由调节基因表达的阻遏蛋白由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白 与启动子上游与启动子上游DNADNA序列结合，促进序列结合，促进RNARNA
10、聚合酶与启动序列聚合酶与启动序列 结合，促进基因转录。（结合，促进基因转录。（CAPCAP分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白）2.2.真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白 反式作用因子反式作用因子 能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式作用因子反式作用因子。按其功能不同，常有以下三类：按其功能不同，常有以下三类：（基本）转录因子（基本）转录因子 转录调节因子：转录调节因子：DNA-蛋白质蛋白质 共调节因子：蛋白质共调节因子：蛋白质-蛋白质蛋白质（1 1）基本）基本转录因子
11、转录因子 是指能够直接或间接与启动子核心序列是指能够直接或间接与启动子核心序列TATATATA盒特异结合、盒特异结合、并启动转录的一类调节蛋白。并启动转录的一类调节蛋白。（参与构成基础转录装置所需的一类通用转录因子参与构成基础转录装置所需的一类通用转录因子）真核生物真核生物 RNARNA聚合酶聚合酶（RNApol RNApol ）识别启动子所需）识别启动子所需的转录因子（的转录因子（TFTF）有多种亚类：）有多种亚类：TFATFA，TFBTFB，TFDTFD，TFETFE，TFFTFF，TF-ITF-I等。等。其中其中TFDTFD最先、最直接与启动子最先、最直接与启动子TATATATA盒结合的
12、转录因盒结合的转录因子子，然后按一定时空顺序依次结合，然后按一定时空顺序依次结合RNApol RNApol 和其他转录因子，形成一个和其他转录因子，形成一个转录前起始复合物（转录前起始复合物（PICPIC）。）。转录前起始复合体的组装（转录前起始复合体的组装（PIC)转录前起始复合物（转录前起始复合物（PICPIC）(2)(2)转录调节因子转录调节因子 这类调经蛋白能识别并结合转录起始点的上游激活序列这类调经蛋白能识别并结合转录起始点的上游激活序列和远端的增强子元件，通过和远端的增强子元件，通过DNADNA蛋白质相互作用而调节转录蛋白质相互作用而调节转录活性。活性。起激活转录作用起激活转录作用
13、转录激活因子；转录激活因子；阻遏转录作用阻遏转录作用转录阻遏因子。转录阻遏因子。（3 3）共调节因子共调节因子 首先与转录因子或转录调节因子发生蛋白蛋白相互作首先与转录因子或转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，以调节转录活性。用，进而影响它们的分子构象，以调节转录活性。如果与转录激活因子有协同作用如果与转录激活因子有协同作用共激活因子；共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子。共阻遏因子。反式作用因子的特殊功能域反式作用因子的特殊功能域 DNADNA结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。结合域；转录激活域；结合其他蛋白质的功能域。锌指结
14、构锌指结构 亮氨酸拉链结构亮氨酸拉链结构 (三三)RNA)RNA聚合酶聚合酶 1.1.启动子与启动子与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 启动子核苷酸序列启动子核苷酸序列影响与影响与RNARNA聚合酶的亲和力。聚合酶的亲和力。2.2.调节蛋白与调节蛋白与RNARNA聚合酶的活性聚合酶的活性 调节蛋白通过调节蛋白通过DNA-DNA-蛋白质蛋白质相互作用、相互作用、蛋白质蛋白质-蛋白蛋白质质相互作用影响相互作用影响RNARNA酶活性。酶活性。六、基因表达的多级调控六、基因表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 转录水平转录水平 转录起始转录起始 转录后加工转录后加工 转录后水平转录后水平 转录产物
15、的转运转录产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工 第二节第二节 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制控制区控制区信息区信息区结构基因结构基因(S)操纵序列（操纵序列（O）启动序列（启动序列（P P）调节基因调节基因（I）CPA 乳糖操纵子结构基因表达产物乳糖操纵子结构基因表达产物（一）阻遏蛋白的负性调节作用（一）阻遏蛋白的负性调节作用I I阻遏蛋白阻遏蛋白 无乳糖存在时，结构基因受阻遏无乳糖存在时，结构基因受阻遏 有乳糖存在时，结构基因表达有乳糖存在时，结构基因表达2CAPCAPCAP位点位点-G,-Lac 阻遏蛋白
16、阻遏蛋白 操纵序列操纵序列 -G,+LacRNA聚合酶聚合酶 无葡萄糖，无乳糖无葡萄糖，无乳糖 无葡萄糖，有乳糖无葡萄糖，有乳糖 有葡萄糖，无乳糖有葡萄糖，无乳糖 有葡萄糖，有乳糖有葡萄糖，有乳糖 启动序列启动序列cAMPmRNA 5（二）（二）CAPCAP的正性调节作用的正性调节作用 G,-Lac +G,+LacG,-Lac +G,+Lac代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（环腺甘酸受体蛋白（CRP）当培养基中当培养基中乳糖浓度降低乳糖浓度降低而而葡萄糖浓度升高葡萄糖浓度升高时时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度降低浓度降低 缺乏乳糖与阻遏蛋白结合缺乏乳糖与阻遏蛋白结
17、合 CAPCAP失活失活 阻抑蛋白与操纵基因结合阻抑蛋白与操纵基因结合 CAPCAP及及RNARNA聚合酶不能与启动基因结合聚合酶不能与启动基因结合 基因转录基因转录被阻遏被阻遏 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 当培养基中当培养基中乳糖浓度升高乳糖浓度升高而而葡萄糖浓度降低葡萄糖浓度降低时时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度升高浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合 cAMPcAMP与与CRPCRP结合并使之激合结合并使之激合 促使阻抑蛋白与操纵基因分离促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CRPCRP与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使RNARNA聚合酶与启动基因
18、结合聚合酶与启动基因结合 基因转录基因转录激活激活 CAPCAP的正性调节的正性调节二、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 v色氨酸操纵子色氨酸操纵子（trp operon）：v阻遏型操纵子；阻遏型操纵子；v主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。的转录合成。v当细胞内当细胞内缺乏缺乏色氨酸时，此操纵子色氨酸时，此操纵子开放开放；v而当细胞内合成的色氨酸而当细胞内合成的色氨酸过多过多时，此操纵子被时，此操纵子被关闭关闭。O 阻遏蛋白阻遏蛋白 （无活性无活性）mRNAtrpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前
19、导trpL衰减子衰减子 结结 构构 基基 因因 调控区调控区二、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 色氨酸合成的酶蛋白色氨酸合成的酶蛋白O 阻遏蛋白阻遏蛋白 mRNATrp trpRPtrpEtrpDtrpCtrpBtrpA前导前导序列（序列（L L）衰减子衰减子（结构基因关闭结构基因关闭）调节区调节区 在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的在高浓度色氨酸存在下，通过形成特殊的“衰减子衰减子”结构，对转录进行更精细的调控。结构，对转录进行更精细的调控。色氨酸的负性调控作用色氨酸的负性调控作用 有活性有活性TrpTrp操纵子的操纵子的trpEtrpE基因基因5 5 端端“前导序列前导
20、序列”衰减子衰减子 结构结构 10、11前导肽前导肽核蛋白体核蛋白体衰减子结构衰减子结构RNA聚合酶聚合酶5mRNATrp密码子密码子1234UUUU 3DNADNA前导肽前导肽51234Trp结构基因结构基因RNA聚合酶聚合酶 Trp操纵子的转录衰减机制操纵子的转录衰减机制三、原核生物基因表达调控的特点三、原核生物基因表达调控的特点 主要在转录水平进行调节主要在转录水平进行调节1 1）因子的特异启动作用因子的特异启动作用 2 2）操纵子调控机制具有普遍性操纵子调控机制具有普遍性3 3）结构基因进行多顺反子转录结构基因进行多顺反子转录4 4）阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性阻遏蛋白阻遏转录具有普遍性
21、第三节第三节 真核生物基因表达调控真核生物基因表达调控一、真核生物基因组特点一、真核生物基因组特点（一）（一）基因组结构庞大基因组结构庞大 人类的单倍体基因组由人类的单倍体基因组由 3X103X109 9 的核苷酸组成，的核苷酸组成，含有大约含有大约2.6 2.6 3.93.9万个基因。万个基因。（二）（二）形成染色体结构形成染色体结构 真核生物的基因组是以真核生物的基因组是以DNADNA和蛋白质结合形成染和蛋白质结合形成染色体结构形式而存在于细胞核。色体结构形式而存在于细胞核。（三）（三）单顺反子单顺反子 真核基因的转录产物一般是单顺反子真核基因的转录产物一般是单顺反子 。单顺反子单顺反子
22、一个编码基因转录生成一个一个编码基因转录生成一个mRNAmRNA分子，并指导翻译一条分子，并指导翻译一条多肽链。多肽链。（四）（四）重复序列重复序列 真核生物基因普遍存在重复序列。真核生物基因普遍存在重复序列。根据重复频率不同，根据重复频率不同，分为以下分为以下3 3类：类：高度重复序列高度重复序列 中度重复序列中度重复序列 单拷贝重复序列单拷贝重复序列 反向重复序列（回文序列）反向重复序列（回文序列）1.1.高度重复序列高度重复序列 重复数百万次，序列简单序列，不到重复数百万次，序列简单序列，不到10bp;10bp;称为卫星称为卫星DNADNA；2.2.中度重复序列中度重复序列 重复上千次，
23、序列由几百个重复上千次，序列由几百个bpbp构成；构成；3.3.单拷贝序列单拷贝序列 只出现只出现1 1次或几次。真核生物极大多数为单一基因；次或几次。真核生物极大多数为单一基因；4.4.反向重复序列反向重复序列 是指在是指在DNADNA链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：链某些区域，出现反向排列的碱基序列。如：“CGTACCCGTACC-/-/-CCATGCCCATGC-”,又称又称“回文结构回文结构”。（五）断裂基因（五）断裂基因 外显子外显子 具有实际编码意义的结构基因序列；具有实际编码意义的结构基因序列；内含子内含子 不具有编码意义的碱基序列不具有编码意义的碱基序列 ，又称插入序列
24、。，又称插入序列。（六）大多数为非编码区（六）大多数为非编码区（95左右左右）（一）（一）DNADNA、染色体水平的变化特点、染色体水平的变化特点二、真核基因二、真核基因表达表达调控的特点调控的特点 1 1对核酸酶极度敏感对核酸酶极度敏感2 2DNADNA拓朴结构变化拓朴结构变化 天然双链天然双链DNADNA几乎均以负性超螺旋构象存在。几乎均以负性超螺旋构象存在。当基因激活后，则转录区前方的当基因激活后，则转录区前方的DNADNA拓朴结构变为拓朴结构变为正性超螺旋，有利于正性超螺旋，有利于RNARNA聚合酶向前移动，进行转聚合酶向前移动，进行转录。录。3.DNA3.DNA甲基化甲基化 DNAD
25、NA甲基化程度与基因表达呈反比。甲基化程度与基因表达呈反比。4 4染色体结构的变化染色体结构的变化 组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小组蛋白发生修饰，碱基暴露等原因而引起核小体结构改变，使核小体不稳定性增加。体结构改变，使核小体不稳定性增加。（二）（二）RNARNA聚合酶、聚合酶、mRNAmRNA的转录激活及调节的转录激活及调节 真核生物有真核生物有3 3种种RNARNA聚合酶：聚合酶：RNA polRNA pol、。每种每种RNARNA聚合酶有约聚合酶有约1010个亚基组成，其中个亚基组成，其中TATATATA盒结合蛋白盒结合蛋白（TBPTBP）为）为3 3种酶共有。种酶共有。RNA
26、polRNA pol对催化对催化mRNAmRNA的生成起主要作用。转录前的生成起主要作用。转录前RNA RNA polpol必须与必须与TBPTBP、TFTFDD等各种通用转录因子等各种通用转录因子形成转录前形成转录前复合体（复合体（PICPIC），从而激活或抑制），从而激活或抑制RNARNA的转录。的转录。聚合酶聚合酶转录前起始复合体的组装转录前起始复合体的组装聚合酶聚合酶转录起始复合体的组装转录起始复合体的组装（三）正性调节占主导（三）正性调节占主导 真核基因一般都处于阻遏状态，真核基因一般都处于阻遏状态，RNARNA聚合酶对启动子的亲聚合酶对启动子的亲和力很低。和力很低。通过利用各种转录
27、因子正性激活通过利用各种转录因子正性激活RNARNA聚合酶是真聚合酶是真核基因调控的主要机制。核基因调控的主要机制。采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用正性调节机制更有效、经济、特异；采用负性调节不经济采用负性调节不经济（四）转录和翻译过程分开进行（四）转录和翻译过程分开进行 转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（转录与翻译过程分别存在于不同的亚细胞部位（胞核与胞核与胞浆胞浆），可分别进行调控。），可分别进行调控。（五）转录后加工（五）转录后加工 真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子真核基因大多为断裂基因，内含子和外显子一起被转录。一起被转录。转录后产物（转录后产物（hnRNAhnR
28、NA）经剪接、加帽、加尾）经剪接、加帽、加尾等加工修饰，才能转变为成熟的等加工修饰，才能转变为成熟的mRNAmRNA.1、根据其性质可分为两大类：A.瞬时调控或称为可逆性调控，瞬时调控或称为可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升件变化所做出的反应。瞬时调控包括某种底物或激素水平升降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。降时，及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。B.发育调控或称不可逆调控，发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程它决定了
29、真核细胞生长、分化、发育的全部进程。2、根据基因调控在同一事件中发生的先后次序又可分为：DNA水平调控水平调控转录水平调控转录水平调控转录后水平调控转录后水平调控翻译水平调控翻译水平调控蛋白质加工水平的调控蛋白质加工水平的调控三、真核生物基因表达调控的种类：第四节 真核生物DNA水平上的基因表达调控基因丢失基因丢失基因扩增基因扩增基因重排基因重排DNA甲基化状态与调控甲基化状态与调控染色体结构与调控染色体结构与调控抗体分子的形成抗体分子的形成Ti质粒质粒转座子转座子一、基因丢失：一、基因丢失：在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些在细胞分化过程中，可以通过丢失掉某些基因而去除这些基
30、因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在基因的活性。某些原生动物、线虫、昆虫和甲壳类动物在个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，个体发育中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分的染色体，只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的只有将来分化产生生殖细胞的那些细胞一直保留着整套的染色体。染色体。目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类目前，在高等真核生物（包括动物、植物）中尚未发现类似的基因丢失现象。似的基因丢失现象。二、基因扩增：二、基因扩增：基因扩增基因扩增是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象是指某些基因的拷贝数专一性增大的现象，它使它使得细胞在短期内产生大
31、量的基因产物以满足生长发育的需得细胞在短期内产生大量的基因产物以满足生长发育的需要，是基因活性调控的一种方式。要，是基因活性调控的一种方式。如非洲爪蟾体细胞中如非洲爪蟾体细胞中rDNA的基因扩增是因发育需要而出的基因扩增是因发育需要而出现的基因扩增现象。现的基因扩增现象。基因组基因组拷贝数增加拷贝数增加，即，即多倍性，多倍性，在植物中是非常普遍的现象。在植物中是非常普遍的现象。基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成基因组拷贝数增加使可供遗传重组的物质增多，这可能构成了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。了加速基因进化、基因组重组和最终物种形成的一种方式。发育或系统发
32、生中的倍性增加在植物中普遍存在DNA含量的发育控制含量的发育控制 利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶利用流式细胞仪对从拟南芥不同发育阶段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的段的组织中分离到的间期细胞核进行分析，发现多倍体的DNA含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，含量与组织的成熟程度成正比。对于一给定的物种，C是单倍是单倍体基因组中的体基因组中的DNA质量。质量。v将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位将一个基因从远离启动子的地方移到距它很近的位点从而启动转录，这种方式被称为点从而启动转录，这种方式被称为基因重排基因重排。v通过基因重排调节基因活性的典型例子是通过基
33、因重排调节基因活性的典型例子是免疫球蛋免疫球蛋白白结构基因的表达。结构基因的表达。三、基因重排：三、基因重排：四、四、DNA的甲基化的甲基化与基因调控：与基因调控：1 1、DNADNA的甲基化的甲基化在真核生物中，5-甲基胞嘧啶主要出现在CpG序列、CpXpG、CCA/TGG和GATC中 CpG二核苷酸通常成串出现在DNA上，CpG岛 v真核生物细胞内存在两种甲基化酶活性：日常型甲基转移酶 从头合成型甲基转移酶 2 2、DNADNA甲基化抑制基因转录的机理甲基化抑制基因转录的机理DNA甲基化导致某些区域DNA构象变化，从而影响了蛋白质与DNA的相互作用，抑制了转录因子与启动区DNA的结合效率。
34、3 3DNADNA甲基化与甲基化与X X染色体失活染色体失活 雌性胎生哺乳类动物细胞中两条X染色体之一在发育早期随机失活，以确保其与只有一条X染色体的雄性个体内X染色体基因的剂量相同。一旦发生X染色体失活，使该细胞有丝分裂所产生的后代都保持同一条X染色体失活。科学家发现，在科学家发现，在X X染色体上存在一个与染色体上存在一个与X X染色体失活有密切染色体失活有密切联系的核心部位称为联系的核心部位称为X X染色体失活中心（染色体失活中心（X-chromosome X-chromosome inactivation centerinactivation center，XicXic），定位在），定
35、位在Xq13Xq13区（正好是区（正好是BarrBarr氏氏小体浓缩部位）。小体浓缩部位）。Xi-specific transcript(Xist)Xi-specific transcript(Xist)基因只在失活的基因只在失活的X X染色体染色体上表达，其产物是一功能性上表达，其产物是一功能性RNARNA，没有，没有ORFORF却含有大量的终止密却含有大量的终止密码子。实验证明，码子。实验证明，Xist RNAXist RNA分子能可能与分子能可能与XicXic位点相互作用，位点相互作用，引起后者构象变化，易于结合各种蛋白因子，最终导致引起后者构象变化，易于结合各种蛋白因子，最终导致X X
36、染色染色体失活。体失活。五、染色质结构与基因表达调控：五、染色质结构与基因表达调控：按功能状态的不同可将染色质分为按功能状态的不同可将染色质分为活性染色质和非活性染活性染色质和非活性染色质色质，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活，所谓活性染色质是指具有转录活性的染色质；非活性染色质是指没有转录活性的染色质。性染色质是指没有转录活性的染色质。活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏活性染色质由于核小体构型发生构象的改变，往往具有疏松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结松的染色质结构从而便于转录调控因子与顺式调控元件结合和合和RNA聚合酶在转录模板上滑动。聚合酶在转
37、录模板上滑动。(一)活性染色质（二）活性染色体结构变化二）活性染色体结构变化1.对核酸酶敏感对核酸酶敏感活化基因常有超敏位点，位于调节蛋活化基因常有超敏位点，位于调节蛋白结合位点附近。白结合位点附近。2.DNA拓扑结构变化拓扑结构变化天然双链天然双链DNA均以负性超螺旋构象存在；均以负性超螺旋构象存在；基因活化后基因活化后RNA-pol正超螺旋正超螺旋负超螺旋负超螺旋转录方向转录方向3.DNA碱基修饰变化碱基修饰变化真核真核DNA约有约有5%的胞嘧啶被甲基化，的胞嘧啶被甲基化，甲基化范围与基因表达程度呈反比。甲基化范围与基因表达程度呈反比。4.组蛋白变化组蛋白变化 富含富含Lys组蛋白水平降低
38、组蛋白水平降低 H2A,H2B二聚体不稳定性增加二聚体不稳定性增加 组蛋白修饰组蛋白修饰 H3组蛋白巯基暴露组蛋白巯基暴露活性染色质上具有DNaseI超敏感位点。每个活跃表达的基因都有一个或几个超敏感位点，大部分位于基因5端启动子区域。活性染色质上具有核基质结合区（matrix attachment region，MAR）。MAR一般位于DNA放射环或活性转录基因的两端。在外源基因两端接上MAR，可增加基因表达水平倍以10上，说明MAR在基因表达调控中有作用。是一种新的基因调控元件。真核细胞中真核细胞中基因转录的模板是染色质基因转录的模板是染色质而不是而不是裸露的裸露的DNA，因此染色质呈疏松
39、或紧密结因此染色质呈疏松或紧密结构，即是否处于活化状态是决定构，即是否处于活化状态是决定RNA聚合聚合酶能否有效行使转录功能的关键。酶能否有效行使转录功能的关键。活性染色质的主要特点在结构上：在结构上：活性染色质上具有DNaseI超敏感位点活性染色质上具有基因座控制区活性染色质上具有核基质结合区（MAR序列）第五节 真核生物转录水平上的基因表达调控一、真核基因转录（一）真核基因结构“基因”的分子生物学定义：产生一条多肽链或功能RNA所必需的全部核苷酸序列。（二）顺式作用元件定义：影响定义：影响自身基因自身基因表达活性的非编码表达活性的非编码DNA序列。序列。例：例：启动子、增强子、沉默子等启动
40、子、增强子、沉默子等（1）启动子：在DNA分子中，RNA聚合酶能够识别、结合并导致转录起始的序列。核心启动子和上游启动子（2 2）增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明增强子：指能使与它连锁的基因转录频率明显增加的显增加的DNA序列。序列。SV40的转录单元上发现，转录起始位点上游约200 bp处有两段长72 bp的正向重复序列。增强子特点：增强效应十分明显，一般能使基因转录频率增加10-200倍 增强效应与其位置和取向无关，不论增强子以什么方向排列（53或35），甚至和靶基因相距3 kb，或在靶基因下游，均表现出增强效应；大多为重复序列，一般长约50bp，适合与某些蛋白因子结合。其内部常含有
41、一个核心序列：（G）TGGA/TA/TA/T（G），该序列是产生增强效应时所必需的；增强效应有严密的组织和细胞特异性，说明增强子只有与特定的蛋白质（转录因子）相互作用才能发挥其功能；没有基因专一性，可以在不同的基因组合上表现增强效应；许多增强子还受外部信号的调控，如金属硫蛋白的基因启动区上游所带的增强子，就可以对环境中的锌、镉浓度做出反应。增强子作用机理：（3）沉默子：某些基因含有负性调节元件沉默子，当其结合特异蛋白因子时，对基因转录起阻遏作用。（三）反式作用因子 1、定义：能直接或间接地识别或结合在各类顺定义：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上，参与调控靶基因转录效式作用元
42、件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的率的蛋白质蛋白质。TFD（TATA）、CTF（CAAT）、SP1（GGGCGG）、HSF（热激蛋白启动区）2、结构DNA结合结构域结合结构域转录活化结构域转录活化结构域结构域结构域连接区（1）DNA结合结构域：v螺旋螺旋-转折转折-螺旋（螺旋（v锌指结构锌指结构v碱性碱性-亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（basic-leucine zipper）v碱性碱性-螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（basic helix/loop/helix，bHLH）1、螺旋、螺旋-转折转折-螺旋螺旋2、锌指结构配位键配位键2-9个个定义：是一种常出现在DNA结合蛋白中的结构基元。是由一个含
43、有大约30个氨基酸的环和一个与环上的4个Cys或2个Cys和2个His配位的Zn构成，形成的结构像手指状。Cys2/Cys2锌指锌指Cys2/His2锌指锌指见于见于甾体激素受体甾体激素受体见于见于SP1，TF A等等转录因子转录因子SP1（GC盒）盒）、连、连续的续的3个锌指重复结构。个锌指重复结构。3、碱性-亮氨酸拉链二聚体二聚体亮氨酸之间相互作用形成亮氨酸之间相互作用形成二聚体，形成二聚体，形成“拉链拉链”。肽链氨基端肽链氨基端2030个富含个富含碱性氨基酸结构域与碱性氨基酸结构域与DNA结合。结合。这类蛋白质的这类蛋白质的DNA结合结构域实际是以碱结合结构域实际是以碱性区和亮氨酸拉链结
44、构域整体作为基础的。性区和亮氨酸拉链结构域整体作为基础的。定义：出现在DNA结合蛋白质和其它蛋白质中的一种结构基元（motif）。当来自同一个或不同多肽链的两个-螺旋的疏水面（常常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构时就形成了亮氨酸拉链。4、碱性-螺旋-环-螺旋（四）转录起始复合物第六节、第六节、蛋白质磷酸化与基因表达蛋白质磷酸化与基因表达 蛋白质的磷酸化反应是指通过酶促反应把蛋白质的磷酸化反应是指通过酶促反应把磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上磷酸基团从一个化合物转移到另一个化合物上的过程，是生物体内存在的一种普遍的调节方的过程，是生物体内存在的一种普遍的调节方式，在式，
45、在细胞信号的传递细胞信号的传递过程中占有极其重要的过程中占有极其重要的地位。地位。已经发现在人体内有多达已经发现在人体内有多达2000个左右的蛋白质激酶和个左右的蛋白质激酶和1000个左右的蛋白质磷酸酶基因。蛋白质的磷酸化是指由蛋白质个左右的蛋白质磷酸酶基因。蛋白质的磷酸化是指由蛋白质激酶催化的把激酶催化的把ATP或或GTP上上位的磷酸基转移到底物蛋白质位的磷酸基转移到底物蛋白质氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，氨基酸残基上的过程，其逆转过程是由蛋白质磷酸酶催化的，称为蛋白质脱磷酸化。称为蛋白质脱磷酸化。1 蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作用蛋白质磷酸化在细胞信号转导中的作
46、用(1).在胞内介导胞外信号时具有专一应答特点。与信号传递有关的蛋白激酶类主要受控于胞内信使，如cAMP，Ca2+，DG（二酰甘油，diacyl glycerol）等，这种共价修饰调节方式显然比变构调节较少受胞内代谢产物的影响。(2).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化控制了细胞内已有的酶“活性”。与酶的重新合成及分解相比，这种方式能对外界刺激做出更迅速的反应。(3).对外界信号具有级联放大作用；对外界信号具有级联放大作用；(4).蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外蛋白质的磷酸化与脱磷酸化保证了细胞对外界信号的持续反应。界信号的持续反应。被磷酸化的主要氨基酸残基：被磷酸化的主要氨基酸残基：丝氨酸丝氨
47、酸、苏氨酸苏氨酸和和酪氨酸酪氨酸。组氨酸组氨酸和和赖氨酸赖氨酸残基也可能被磷酸化。残基也可能被磷酸化。2.真核细胞主要跨膜信号转导途径真核细胞主要跨膜信号转导途径 3.蛋白激酶的种类与功能蛋白激酶的种类与功能v 根据底物蛋白质被磷酸化的氨基酸残基的种类可分为三大类：第一类为丝氨酸/苏氨酸型。这类蛋白激酶使底物蛋白质的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化第二类为酪氨酸型。被磷酸化的是底物的酪氨酸残基。第三类是双重底物特异性蛋白激酶（dual-specificity protein kinase），既可使丝氨酸和苏氨酸残基磷酸化又可使酪氨酸残基磷酸化。v 根据是否有调节物调节物来分又可分成两大类：A、信使依赖
48、性蛋白质信使依赖性蛋白质激酶激酶（messenger-dependent protein kinase），包括胞内第二信使或调节因子依赖性蛋白激酶及激素（生长因子）依赖性激酶两个亚类；B、非信使依赖型蛋白、非信使依赖型蛋白激酶激酶。4.4.受受cAMPcAMP调控的调控的A A激酶激酶 被A激酶磷酸化的蛋白质其N端上游往往存在两个或两个以上碱性氨基酸碱性氨基酸，特异氨基酸的磷酸化（X-Arg-Arg-X-Ser-X）改变了这一蛋白的酶活性。这一酶活性代表了绝大多数细胞中cAMP所引起的全部反应。PKA全酶由4个亚基组成(R2C2）包括两个相同的调节亚基（R）和两个相同的催化亚基（C）。全酶的分
49、子量为150-170kD。vC C亚基具有催化活性，亚基具有催化活性，R R亚基具有调节功能，有两个亚基具有调节功能，有两个cAMPcAMP结合位点。结合位点。R R亚基对亚基对C C亚基具有抑制作用，所以，亚基具有抑制作用，所以，R R和和C C聚合后的全酶（聚合后的全酶（R2C2R2C2）无催化活性。）无催化活性。R R亚基与亚基与cAMPcAMP的结合导致的结合导致C C亚基解离并表现出催化活性。亚基解离并表现出催化活性。v 激素与其受体激素与其受体在肌肉细胞外表面相在肌肉细胞外表面相结合结合，诱发细，诱发细胞质胞质cAMPcAMP的合成并的合成并活化活化A A激酶激酶，再将，再将活化磷
50、酸基团活化磷酸基团传递给无活性的传递给无活性的磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶，活化糖原磷酸化酶，活化糖原磷酸化酶，最终将糖原磷酸化，进入糖酵解并提供最终将糖原磷酸化，进入糖酵解并提供ATPATP。5.5.C C激酶与激酶与PIP2PIP2、IP3IP3和和DAGDAGv 磷酸肌醇级联放大的细胞内信使：磷酸肌醇级联放大的细胞内信使：v磷脂酰肌醇磷脂酰肌醇-4-4，5-5-二磷酸（二磷酸（PIP2PIP2）的两个酶解）的两个酶解 产产物：物：肌醇肌醇1 1，4 4，5-5-三磷酸三磷酸（IP3IP3）和）和二酰基甘油二酰基甘油（DAGDAG）。）。vC C激酶（激酶（PKCPKC）是依赖于）是依赖于Ca
